中國儲能網訊：電力輔助服務是維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的“調節(jié)器”，在“雙碳”發(fā)展目標和新型電力系統(tǒng)建設背景下，大規(guī)模具有波動性和間歇性的新能源發(fā)電將接入電網并逐步成為主要供電電源，與電力系統(tǒng)有功、無功平衡和故障恢復能力緊密相關的電力輔助服務在提升電力系統(tǒng)靈活調節(jié)能力、保障電網安全穩(wěn)定運行方面的重要性進一步凸顯。正確認識電力輔助服務產品，有助于加深對能源轉型背景下電力系統(tǒng)的運行機理、輔助服務固定補償機制向市場化機制轉變方式、不同類型電力市場之間的協(xié)同運作原理的了解。
電力輔助服務是如何定義的？
輔助服務廣義上是指實現(xiàn)電能量輸送和實時平衡所需的所有措施，主要用于保證供電可靠性和電能質量，世界各國因為電能量市場的結構和模式的不同，對輔助服務定義與分類也不盡相同。其中，我國是用排除法給出定義，美國和歐洲是通過正向方式直接給出定義。
中國：電力輔助服務是指為維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，保證電能質量，促進清潔能源消納，除正常電能生產、輸送、使用外，由火電、水電、核電、風電、光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、抽水蓄能、自備電廠等發(fā)電側并網主體，電化學、壓縮空氣、飛輪等新型儲能，傳統(tǒng)高載能工業(yè)負荷、工商業(yè)可中斷負荷、電動汽車充電網絡等能夠響應電力調度指令的可調節(jié)負荷（含通過聚合商、虛擬電廠等形式聚合）提供的服務（根據國家能源局2021年印發(fā)《電力輔助服務管理辦法》定義）。
美國：考慮到控制區(qū)及其內部輸電公共設施的義務，以維持互聯(lián)輸電系統(tǒng)的可靠運行，從而支持電力從賣方向買方傳輸?shù)姆眨绹?lián)邦能源管理委員會FREC定義）。
歐洲：由獨立輸電組織簽約的、可以保證電力系統(tǒng)安全性的一系列功能（歐洲輸電系統(tǒng)運營商聯(lián)盟ENTSO-E定義）。
需要注意的是，輔助服務市場的設計是圍繞電能量市場開展的，目的是為了維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。從定義來看，輔助服務是為了保障電能量正常生產、輸送、使用而設置的電力服務類別，實質上輔助服務產品與電力商品存在著一定的“主從關系”，電能量市場可以實現(xiàn)的功能就不需要再次設計相關輔助服務品種。輔助服務市場的交易機制也必須嚴格圍繞電能量市場來設計，主要體現(xiàn)的是調節(jié)價值，其產品使用過程中出現(xiàn)的電能量變化，需要按照電能量市場的相關規(guī)則進行結算，結算費用也不應納入輔助服務費用統(tǒng)計。
電力輔助服務產品有哪些類別？
雖然世界各國對輔助服務定義不同，但是各國的輔助服務類別和產品總體上相同，只是在細節(jié)上有所不同。輔助服務根據其性質可以分為有功平衡服務、無功平衡服務和事故應急及恢復服務三大類。有功、無功平衡服務是與電力工業(yè)正常生產緊密相關的，其中有功平衡服務用于保證電網頻率處于穩(wěn)定水平（即50赫茲），無功平衡服務用于保持電網中各處的電壓處于系統(tǒng)所需的電壓等級水平（例如500千伏、220千伏、35千伏等）。事故應急及恢復服務是電網處于緊急狀態(tài)或事故狀態(tài)時，用于保持電網穩(wěn)定運行或為電網提供從大停電事故中恢復供電能力的相關服務。我國《電力輔助服務管理辦法》中的輔助服務類別及產品種類如下圖所示。
有功平衡服務
有功平衡服務主要涵蓋調頻和備用兩大類，國內還設置了調峰以及其他的輔助服務品種。我國對有功平衡服務的定義同時考慮了歐洲和美國的定義方法，按照響應速度的快慢將主要的有功平衡服務產品歸類為一次調頻、二次調頻和備用等（部分國家也分別稱之為一次備用、二次備用、三次備用，或一次調頻、二次調頻、三次調頻），其本質上都是要求機組預留一部分發(fā)電容量，以便在系統(tǒng)有功供需發(fā)生不平衡時，進行機組發(fā)電功率的向上或向下調節(jié)，以滿足系統(tǒng)有功功率平衡需要。各種調頻、備用以及其他輔助服務產品的定義及特征如下。
調頻輔助服務
調頻是指電力系統(tǒng)頻率偏離目標頻率時，并網主體通過調速系統(tǒng)、自動功率控制等方式，調整有功出力減少頻率偏差所提供的服務。在我國，調頻分為一次調頻和二次調頻，常見的調頻輔助服務（AGC）一般是指二次調頻。
一次調頻是指當電力系統(tǒng)頻率偏離目標頻率時，常規(guī)機組通過調速系統(tǒng)的自動反應、新能源和儲能等并網主體通過快速頻率響應，調整有功出力減少頻率偏差所提供的服務。對常規(guī)機組而言，進行一次調頻時機組利用自帶調速器隨機組轉速的變動不斷改變進氣或進水量，隨著頻率的升降自動調整輸出功率，是機組的自然屬性，與系統(tǒng)出現(xiàn)供需不平衡時機組維持自身原有運行狀態(tài)的慣性相類似。該服務通常針對系統(tǒng)中幅度較小的負荷波動進行平衡調節(jié)，主要作用為緩和電網頻率的變化程度，屬于有差調節(jié)，其調節(jié)時間為秒級至幾十秒。由于當前電網中傳統(tǒng)機組數(shù)量足夠多，且系統(tǒng)所需的一次調頻量相對較小，一次調頻基本由發(fā)電機組無償提供。
二次調頻是指當一次調頻服務的調節(jié)量無法滿足系統(tǒng)平衡調節(jié)需求時，通過調度進行全局控制，依據系統(tǒng)所需的實際調節(jié)量，并網主體通過自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control, AGC）系統(tǒng)，跟蹤電力調度機構下達的指令，按照一定調節(jié)速率實時調整發(fā)電功率，以滿足電力系統(tǒng)頻率、聯(lián)絡線功率控制要求的服務。二次調頻執(zhí)行過程中，會通過AGC系統(tǒng)向機組自動發(fā)送調節(jié)指令，此時火電機組的主汽門會進行動態(tài)調節(jié)以增、減蒸汽量，使參與調節(jié)的機組共同提升或降低出力（通常為微調，例如共有6臺機組參與調節(jié)，每臺調節(jié)2%的出力），二次調頻的響應時間為秒級到15分鐘左右。交易方式方面，在國外典型電力市場中，二次調頻通常通過市場化方式進行采購，尤其是在集中式電能量市場中，二次調頻市場通常與電能量市場聯(lián)合出清；而在“自調度、自平衡”的歐洲分散式電力市場中，由于“自調度、自平衡”的雙方無法預測系統(tǒng)的輔助服務需求量，因此二次調頻與電能量市場的交易相互獨立。
備用輔助服務
備用是指為保證電力系統(tǒng)可靠供電，在調度需求指令下，并網主體通過預留調節(jié)能力，并在規(guī)定時間內響應調度指令所提供的服務。響應時間是對備用輔助服務產品進行分類的重要因素，不同國家調度對備用機組進行調度的習慣有所不同，為與我國電網調度運行習慣相適應，可采用15分鐘、30分鐘響應時間作為劃分依據，將備用分為旋轉備用、快速備用。歐洲部分國家由于單循環(huán)燃機較多，其備用輔助服務也多以10分鐘響應時間作為不同備用品種的劃分依據，具體可參見表1。
旋轉備用方面，在系統(tǒng)利用二次調頻仍無法實現(xiàn)有功功率平衡時，調度機構會人工下達指令調用正在運行的旋轉備用機組，例如指定某臺機組提高或降低出力。一般來說，提供旋轉備用的機組需在15分鐘內達到指定的出力水平。
快速備用方面，當系統(tǒng)中機組出力水平顯著降低或負荷水平發(fā)生快速顯著變化，且利用旋轉備用資源后仍無法實現(xiàn)系統(tǒng)的有功功率平衡時，調度機構將開始調用快速備用機組，根據調度機構要求，快速備用機組一般應在30分鐘內達到指定出力值。國外的快速備用機組多數(shù)為抽水蓄能電站，其既可以提供旋轉備用，也可以提供快速備用，一般可以在15分鐘內達到指定出力值。未來我國輔助服務市場建設成熟后，抽水蓄能電站也可通過參與備用輔助服務市場獲取收益。此外，英國和美國還采用單循環(huán)燃機來提供備用輔助服務，通?？稍?5分鐘以內從冷態(tài)上升至滿負荷狀態(tài)，此類燃機發(fā)電成本極高，但只在電網負荷尖峰時段頂峰發(fā)電，具有極高的快速備用價值。
半小時以上時間尺度的系統(tǒng)有功平衡可以通過電力現(xiàn)貨市場實現(xiàn)。在該時間尺度下，現(xiàn)貨市場擁有足夠的時間裕度和調節(jié)能力改變機組的出力狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)平衡需要。此外，還可以通過需求側響應價格引導用戶對負荷水平進行有序調整。
調峰輔助服務
調峰輔助服務是指為跟蹤系統(tǒng)負荷的峰谷變化及新能源出力變化，并網主體根據調度指令進行的發(fā)電功率調整或設備啟停所提供的服務。在新能源發(fā)展初期，新能源發(fā)電量不多，對其要求全額保障性消納，不允許出現(xiàn)棄風、棄光，隨著新能源的發(fā)展，其出力的“反調峰”特性（在負荷低谷時出力較高）使得系統(tǒng)在負荷低谷時供需平衡困難，一般來說調峰輔助服務主要指火電機組在負荷低谷時，進一步壓低出力水平，為新能源留出發(fā)電空間，確保系統(tǒng)在負荷低谷時的供需平衡。我國調峰輔助服務可進一步細分為深度調峰和啟停調峰等品種，但是隨著尖峰負荷的增長以及能源結構的變化，近年來部分省份出現(xiàn)短時限電情況，因此有地區(qū)在輔助服務中新增了頂峰品種。
圖4 負荷低谷時段火電機組提供調峰服務示意圖
深度調峰指按照調度機構的指令調整發(fā)電機組出力至深度調峰基準以下所提供的服務。
啟停調峰是指火電企業(yè)根據調度指令，在核定的最小開機方式以下，通過火電機組在較短時間內按指令啟停從而滿足應急需求，或讓出低谷時段發(fā)電空間的服務。
要說明的是，調峰是我國輔助服務市場的特有品種，在沒有發(fā)電側分時價格信號時，以調峰市場作為經濟手段保證系統(tǒng)供需平衡，屬于在現(xiàn)貨市場未實際運行前的過渡機制。在國外由于現(xiàn)貨市場完全能夠實現(xiàn)調峰功能，因此國外沒有調峰輔助服務產品，國內現(xiàn)貨市場運行后應該及時停止調峰運行。
其他有功平衡輔助服務
近年來有功輔助服務中出現(xiàn)了一些分支，例如轉動慣量、爬坡等產品類別，但尚未形成通用的定義和標準，產品尚不成熟。其中，轉動慣量可以從一次調頻中進行分解，快速爬坡輔助服務僅在美國加州輔助服務市場設立了有關品種。我國轉動慣量和爬坡輔助服務的定義如下：
轉動慣量是指在系統(tǒng)經受擾動時，并網主體根據自身慣量特性提供響應系統(tǒng)頻率變化率的快速正阻尼，阻止系統(tǒng)頻率突變所提供的服務。
爬坡是指為應對新能源發(fā)電波動等不確定因素帶來的系統(tǒng)凈負荷短時大幅變化，具備較強負荷調節(jié)速率的并網主體根據調度指令調整出力，以維持系統(tǒng)功率平衡所提供的服務。
無功平衡服務
無功平衡服務即電壓控制服務，指為保障電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，并網主體根據調度下達的電壓、無功出力等控制調節(jié)指令，通過自動電壓控制（AVC）、調相運行等方式，向電網注入、吸收無功功率，或調整無功功率分布所提供的服務。系統(tǒng)中如果缺少無功功率，電磁場會減弱，進而電壓水平會降低，系統(tǒng)中的電機、照明等用電設備就無法在額定工況下運行。維持電網無功功率的目的，主要是將電網的電壓水平維持在系統(tǒng)所需的電壓等級水平。
在采購方式方面，輔助服務中與無功功率相關的產品一般均不采用市場化方式采購，因為無功平衡服務通常與電力系統(tǒng)的局部運行特性（即維持局部區(qū)域所需電壓水平）相關，受地理位置的限制，需要特定位置的主體進行提供，無法在全網建立有效的競爭機制，一般通過簽訂協(xié)議等方式進行采購。
無功平衡服務品種主要包括自動電壓控制（AVC）、調相運行。自動電壓控制（AVC）是指利用計算機系統(tǒng)、通信網絡和可調控設備，根據電網實時運行工況在線計算控制策略，自動閉環(huán)控制無功功率和電壓調節(jié)設備，以實現(xiàn)合理的無功電壓分布。調相運行是指發(fā)電機不發(fā)出有功功率，只向電網輸送感性無功功率的運行狀態(tài)，起到調節(jié)系統(tǒng)無功功率、維持系統(tǒng)電壓水平的作用。
事故應急及恢復服務
事故應急及恢復服務主要針對系統(tǒng)的緊急狀態(tài)或大范圍的停電事故，包括穩(wěn)定切機服務、穩(wěn)定切負荷服務和黑啟動服務。
穩(wěn)定切機服務是指電力系統(tǒng)因故障時，出現(xiàn)了發(fā)電出力遠大于負荷的情況，穩(wěn)控裝置正確動作后，發(fā)電機組自動與電網解列所提供的服務。
穩(wěn)定切負荷（含抽水蓄能電站切泵）服務是指電網發(fā)生故障時，出現(xiàn)了負荷遠大于發(fā)電出力的情況，安全自動裝置正確動作切除部分用戶負荷，用戶在規(guī)定響應時間及條件下以損失負荷來確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定所提供的服務。
黑啟動是電力系統(tǒng)大面積停電后，大部分發(fā)電廠難以自行啟動，因為電廠的生產環(huán)節(jié)（例如火電廠的磨煤和運煤裝置、水泵等）都需要電能供應才能恢復生產，在無外界電源支持情況下，由具備自啟動能力的發(fā)電機組或抽水蓄能、新型儲能等所提供的恢復系統(tǒng)供電的服務。黑啟動電廠應具備在沒有外援廠用電的情況下自啟動發(fā)電機的能力，黑啟動執(zhí)行時，提供服務的機組會先供給系統(tǒng)內其他無自啟動能力停運發(fā)電廠的廠用電，幫助其恢復并網發(fā)電，進而逐步擴大系統(tǒng)恢復范圍，帶動全網的發(fā)電機組從故障中恢復正常生產。
當前我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行水平全球領先，幾乎沒有發(fā)生過大面積停電事件，事故應急及恢復輔助服務的應用概率極低，黑啟動輔助服務基本未得到調用。但是概率低不代表不會發(fā)生，事故應急及恢復輔助服務作為系統(tǒng)最后的保障手段，是提升電網應急保障能力的關鍵環(huán)節(jié)，其能力的提升和市場機制的不斷完善對于保障電網安全穩(wěn)定運行、提升電力系統(tǒng)故障恢復能力至關重要。
電力輔助服務的成本構成
因為各類輔助服務提供的功能、提供方式以及對電能量市場的影響不同，輔助服務成本構成也不盡相同。對于輔助服務固定補償機制下補償價格的設定、市場化機制下價格限值的設定，以及隨著市場體系的完善向用戶側疏導輔助服務費用規(guī)模的設定都需要準確的輔助服務成本作為參考。
電力輔助服務的主要成本構成
電力輔助服務的成本主要分為固定成本、變動成本、機會成本三大類。
固定成本主要包括機組和變壓器容量投資、專用設備投資，例如與僅參與電能量市場相比，提供輔助服務可能需要增加的機組和變壓器容量及調節(jié)、保護、通信、測量等設備和裝置。
變動成本包括運行成本和維護成本，隨輔助服務提供量而發(fā)生變化。運行成本方面，主要為燃料成本，如運行效率下降增加的煤耗；維護成本方面，主要是因機組偏離最優(yōu)運行工況以及頻繁動作而導致的設備磨損加劇、壽命縮短等原因增加的維護費用。
機會成本指發(fā)電企業(yè)為提供輔助服務而減少的電量收入或增加的收益虧損。如頻率調整、旋轉備用、超出一定范圍的無功等輔助服務都與電能量間存在替代關系，當市場電能量價格高于發(fā)電變動成本時，因提供輔助服務而減少的電能量收入，就是輔助服務的機會成本。
調頻、備用、無功、黑啟動等輔助服務產品的成本構成情況如表2所示，不同國家或地區(qū)由于市場機制設計、運行情況，以及機組并網要求方面有所不同，各類成本可能存在一定差異。
調頻輔助服務成本情況分析
關于調頻輔助服務成本，即有償提供的二次調頻（AGC）成本，從我國機組并網要求及市場運行情況看，成本主要構成為機會成本，而不是固定成本或其他變動成本。
一是固定成本方面，國外機組并網時并不強制要求其具備AGC調節(jié)能力，若后續(xù)希望參與二次調頻市場，部分機組需要加裝AGC和其他輔助設備才具備二次調頻服務能力，因此存在固定成本。我國《電力并網運行管理規(guī)定》（國能發(fā)監(jiān)管規(guī)〔2021〕60號）規(guī)定：“發(fā)電側并網主體應根據國家能源局派出機構有關規(guī)定要求，具備相應的一次調頻、自動發(fā)電控制（AGC）和無功服務能力?！眹鴥纫蟛⒕W機組必須具備自動發(fā)電控制（AGC）能力，且需安裝配套的“三遙（遙測、遙信、遙控）”系統(tǒng)等輔助設備，并網機組與AGC調節(jié)相關的設備費用已包含在機組造價中，無需加裝新的設備，其成本已在機組基準電價及電能量市場限價機制中考慮。因此，我國在進行輔助服務定價時不需要考慮這一部分固定成本，以避免重復補償。
二是變動成本方面，主要包含因提供輔助服務而增加的電能量市場運行成本和機組維護成本，電能量部分費用作為增發(fā)電量已按照電能量市場機制進行結算，不算作輔助服務費用；機組維護成本（加劇磨損、縮短機組壽命等原因）的影響因素較為復雜，需要較長時間尺度（例如20、30年）才能對成本情況進行準確量化，如果機組性能水平較高，維護成本的增幅可能并不顯著，調頻輔助服務的變動成本短期內難以進行準確估計并進行正確定價。
三是機會成本方面，對于現(xiàn)貨市場運行地區(qū)，電能量市場隨市場供需變化產生了時序的價格信號，機組為二次調頻預留容量并提供服務會影響其在電能量市場中的收益，由此產生了機會成本。調頻輔助服務可以依據機會成本進行準確定價，保證輔助服務分攤與受益主體間的公平；而對于現(xiàn)貨未運行地區(qū)，調度機構根據中長期分解的月度電量安排發(fā)電計劃曲線，其電能量價格通常不隨時間變化，對于因提供調頻輔助服務預留容量減少的發(fā)電電量會在月度或者年度電量內滾動平衡，在提供調頻輔助服務時沒有產生機會成本（或者也可認為機會成本已經得到補償），所以在未運行現(xiàn)貨市場前提下，調頻輔助服務定價缺乏科學依據。
輔助服務市場與電力現(xiàn)貨市場具有強耦合性，兩個市場間既存在有功功率互補性，又存在經濟的互斥性，輔助服務的成本要依托電力現(xiàn)貨市場進行體現(xiàn)，沒有電力現(xiàn)貨市場，就無法確定準確的輔助服務需求與成本，自然無法準確為輔助服務確定價格范圍。在當前經濟社會與能源行業(yè)綠色轉型過程中，系統(tǒng)所需的輔助服務也越來越多，亟需深入研究輔助服務品種、原理以及成本構成，優(yōu)化輔助服務運行，在市場主體準入、需求確定、定價以及限價設置等方面進行統(tǒng)一規(guī)范，加快建立健全輔助服務市場建設，形成科學合理的輔助服務價格以及費用規(guī)模，抓住時機向用戶側逐步疏導，激勵靈活調節(jié)資源的投資以及提供，通過市場體系的不斷完善，增強電網安全可靠供電能力，促進新能源的大力發(fā)展，早日建成新型電力系統(tǒng)。
